CN101288171A - 使用场屏蔽的象素性能改进 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于有源矩阵显示器的象素单元(100)及其制造方法，该象素单元(100)包括象素垫(110)和薄膜场效应晶体管(106)，薄膜场效应晶体管(106)选择性地对信号进行耦合以激活/停用该象素垫。场屏蔽体(112)形成于绝缘层(102)上并通过该绝缘层连接到该象素垫，从而使场屏蔽体延伸到该象素垫的至少一部分的上方。场屏蔽体可以延伸到薄膜晶体管上方并形成第二栅极(215)，以用于提高象素单元和薄膜晶体管的性能。
Description
本发明涉及一种用于有源矩阵显示器的象素单元，尤其涉及一种使用场屏蔽体(field shield)以改进性能的薄膜晶体管装置。
电子墨水胶囊与施加于其上的电压起反应并用于产生图像。胶囊含有白色和黑色墨水(电子墨水)，它们根据施加到胶囊或者单元上的电压而反应并移动。为了改变电泳电子墨水显示器上的图像内容，对新的图像信息的写入应进行一定量时间(例如，500ms-1000ms).因为有源矩阵的刷新率一般更高，所以这会造成多个帧(比如帧率为50Hz，25到50帧)期间处理相同的图像内容。
参照图1，示范性地示出了电子墨水胶囊12的示意图。电子墨水从白到黑的处理比如需要在500ms到1000ms的时间间隔内把象素电容板10a和10b充电至-15V。在这段时间内，白色粒子向顶部(公共)电极漂移，同时黑色粒子向底部(有源矩阵背板)电极漂移。转变至黑色则需要正的象素电压。在象素电容为0V时，电子墨水并不发生转变。
参考图2，示出了有源矩阵显示器中的象素22的等效电路20。行电极24形成用于下一行象素的储能电容器。有源矩阵显示器每次驱动一行。在一帧时间内，通过施加把薄膜晶体管(TFT)26从非导电状态(+25V)改变成导电状态(-25V)的电压，而依次选择所有的行。在这个线选择时间(line selection time)内，所选择的行的象素电容器28和30(即TFT漏极端的总电容)被充电至提供在列电极32(+/-15V，0V)上的电压。在剩余的帧时间(即保持时间)内，其它行被处理(address)。然后TFT 26处于非导电状态，象素电极28和30上的电荷必须被保留。在图像更新之间，对于行和列电极、象素垫(pixel pad)和公共电极而言，有源矩阵静止于0V。
TFT 26中，CDE是提供显示效果的电容器30，Cst是储能电容器28，Cgd是寄生栅极-漏极电容器(未示出)。电路20中，前一行电极形成储能电容器线。
根据本发明，用于有源矩阵显示器的象素单元及其制造方法，包括象素垫和薄膜场效应晶体管，该薄膜场效应晶体管选择性地对信号进行耦合以激活/停用(activate/deactivate)象素垫。场屏蔽体形成于绝缘层上并通过绝缘层连接到象素垫/晶体管上，从而使场屏蔽体延伸在象素电极(比如象素垫)或者晶体管的至少一部分上。场屏蔽体可以延伸在薄膜晶体管上，并形成第二栅极，以用于提高薄膜晶体管和象素单元的性能。
形成用于有源矩阵显示器的象素的方法包括，在象素栈(pixelstack)上方形成绝缘体，其中象素栈包括薄膜晶体管、象素垫和寻址线(addressing line)，以及对形成于绝缘体上方的导电层进行图案化(pattern)，以形成连接到象素垫的场屏蔽体。场屏蔽体通过绝缘层连接到象素垫，从而使场屏蔽体在薄膜晶体管的至少一部分上延伸，以形成第二栅极，其提高了晶体管的性能。
其它步骤包括激活象素垫和场屏蔽体，以增加薄膜场效应晶体管的导通电流(on-current)。形成绝缘体的步骤包括根据薄膜晶体管的性能标准来设置绝缘体的厚度。对绝缘体进行图案化的步骤包括对导电层进行图案化，从而使得第一象素单元的场屏蔽体在相邻单元的薄膜晶体管上延伸，或者在临近单元的象素垫上延伸。
以下将参照下述附图详细描述本发明的优选实施例。
图1是根据现有技术的电子墨水显示器的示意图；
图2是示意图，示出了根据现有技术的、用于包括电子墨水显示器的有源矩阵显示器的象素单元；
图3是剖视图，示出了用于有源显示器象素单元的示范性栈(stack)；
图4是与图3的栈相对应的象素单元的正视图；
图5是剖视图，示出了根据一个实施例的形成在图3所示的栈之上的场屏蔽体和绝缘体；
图6是与图5的栈相对应的象素单元正视图；
图7是示意图，显示了用于示出第二栅极的图6和7中所示的有源矩阵显示器的象素单元；
图8是图7中象素单元的薄膜晶体管的特性曲线的曲线图；
图9和10示出了两个用于形成绝缘层和场屏蔽体的改型实施例；
图11是根据一个变型实施例的、具有场屏蔽体的象素单元的正视图，其中场屏蔽体在相邻象素单元的晶体管上延伸；以及
图12是示意图，示出了用于图11所示的有源矩阵显示器的象素单元的示意图。
下文将结合附图对示范性实施例进行详细描述，通过描述，本发明的这些以及其它目标、特点和优点将变得更加显而易见。
本发明提供一种改进的象素电路，其包括一个场屏蔽体，以提高与象素电路相关的薄膜晶体管的性能。根据本发明实施例的场屏蔽体的底板，通过添加附加金属层(比如第三金属层)到象素栈来提高显示器的光学性能。并给予场屏蔽体层附加功能，包括通过把场屏蔽体层用作TFT的第二栅极来改进象素TFT的开关性能。在本文中，实施例提高了TFT的导通电流，同时保持显示器较高的光学性能。
将依照有机TFT象素电路来对根据本发明的示范性实施例进行描述；但是TFT象素电路可以受益于本发明的启示。此外，本发明包括用于某些设备(比如液晶显示器、电子墨水或者任意其它显示器或者设备)用的任意象素电路。
现在参考附图，其中相似的数字表示相同的或相似的元件，先来参照图3，栈40可以用于有机TFT象素电路。图3所示的有源矩阵电路在例如塑料薄片42(基板)上被处理，结果是形成了能够集成到可弯曲显示器(flexible display)上的有源矩阵(AM)底板。表1示出了用于不同的层的可能的材料。优选的栈始于高度导电的栅极层44(比如贵金属或铟锡氧化物)，其后是有机绝缘层46、第二导电层48以及有机半导体层50。优选地，通过旋转覆膜(spin-coating)对有机层46和50进行沉积。可以使用光刻法对层进行图案化，或者通过使用层(比如绝缘层)本身的光敏性实现，或者通过使用光阻(比如对于多数半导体或者导体)实现。层48形成列电极47和象素垫110，并且层44形成行电极45。
表1示出了可用于带有聚合电子元件(polymer electronics)的有源矩阵电路的示范性材料。
*基础材料，可以涂有多个屏障层
栈40可用作提供根据本发明诸多特点的基础。栈40也可使用其它象素电路来替换，但是仍受益于本发明的教导。
参照图4，示出了有源矩阵底板的当前象素单元布局。第一区域55示出了半导体岛的位置。第二区域60表示第一金属层。第三区域65示出了第二金属层，而连续的绝缘层并没有示出。图4中的底板设计的象素布局并没有包括场屏蔽体。
参考图5，栈100包括用于带有有机TFT的一个象素的场屏蔽体栈，它用于带有有机电子的显示器。在该实施例中，示范性地把两个层添加到图3中的栈40。绝缘层102和导电层104形成于栈40上。该栈100的一些优点包括更高的对比度、更低的光学交扰以及更均匀的象素转换，这由场屏蔽体电极实现的行和列电极的电场屏蔽体所致。
绝缘体102可包括光阻材料或其它有机绝缘材料。绝缘体102形成于构成TFT106的一部分的半导体材料50上。半导体材料50可以包括无机或者有机半导体材料。在一个实施例中，材料50包括并五苯，也可以使用其它材料。配置好绝缘体102之后，导电层104形成于绝缘体102之上。可对绝缘体102进行构图以形成开口，从而允许通过连接108而穿过绝缘体102。通孔108可与导电层(比如使用双大马士革技术(dual damascene technique))同时形成，或者与层104分别形成。导电层104可以包括，比如Au、A1、Cu、铟锡氧化物、Pd、Pt，、ZnSnO3、SnO2:F、Ag或者任意其它合适的导体。
导电层104连接到形成自层48处(图3)的象素垫110。导电层104在象素垫110上形成场屏蔽体112，并进一步在象素垫110(或其它象素电极)的至少一部分上延伸，在优选的实施例中，在TFT106的至少一部分的上方。这样，场屏蔽体112形成与TFT106的电容性关系(capacitive relationship)，这可用于改进TFT性能，这将在下文中进行阐述。薄膜场效应晶体管106可以包括处于导电和/或半导电部分之间的有机层间介电层(interlayer dielectric layer)46。
参照图6，示范性地示出了有源矩阵底板的场屏蔽体体的象素电路。第一区域120示出了导电层104(场屏蔽体)。第二区域125示出了半导体岛的位置。第三区域130表示第一金属层。第四区域135示出了第二金属层，而连续绝缘层没有示出。
理想的象素TFT传输较高的导通电流，同时在象素中占用较小的面积。问题是理想状态是很难实现的，尤其是对于有机电子。导通电流越高，能制造的显示器越大。TFT面积越小，有源矩阵底板的产量就越高。
根据本发明，通过把层104用作TFT106的“第二栅极”(参见图7)，导电层104提供了用于显示器的场屏蔽体，它提供了增加TFT106的导通电流而同时并没有增加其面积的机会。对于形成于层104中的第二栅极的不同的值，图8中示范性地示出了其传输特性。
参考图7，示出了根据一个实施例的、用于场屏蔽体象素的等效有源矩阵象素电路200。示出了单个象素202，它可以是构成有源矩阵显示器的多个象素的一部分。行电极224构成下一行的象素用的储能电容器。有源矩阵显示器被一次一行(a row-at-a-time)地驱动。在一帧时间期间，通过施加把薄膜晶体管(TFT)226从非导电状态转化成导电状态的电压，而依次选择所有的行。在这个线选择时间内，电容器228和230以及所选行的TFT226的栅极和漏极之间的电容(即TFT漏极端的总电容)被充电至特定电压，该电压提供于列电极232上(例如+/-15V，0V)。
在剩余的帧时间内(即保持时间)，对其它行进行处理。然后，TFT226处于非导电状态，并且象素电容228和230上的电荷仍保留。在图像更新之间，对于行电极和列电极、象素垫以及公共电极而言，有源矩阵静止于0V。
CDE是提供显示效果的电容器230，Cst是储能电容器228，Cgd是TFT226内的寄生栅极-漏极电容器。在电路200中，前一行电极构成储能电容器线。象素垫110构成TFT226的第二栅极215。
参考图8，示范性地示出了场屏蔽体的有机TFT的传输特性，对于象素电极(即第三金属层104)电压(Vp)以20V的步幅从+100V到-100V变化而言，其迁移率为0.01cm2/Vs。流过晶体管的漏电流ID相对于栅极电压(VG)而绘制出。插值图300示出了作为象素电极电压(VP)的函数的所提取的阈值电压(VT)，其中TFT的沟道长度是5微米，宽度是1000微米，供给电压为VD＝-1V。
与充电到正电压相比，当象素被充电到负电压时，若没有场屏蔽体，则TFT的导通电流更低。这是由于当充电至负电压时，源极-栅极电压较低。因此，充电至负电压的象素是象素TFT尺寸的决定性因素之一。
若有场屏蔽体，由于第二栅极215上的负电压(图7)，在充电至负电压期间，导通电流就会增加。在充电至正电压期间，导通电流将会更低。这导致更对称的充电特性和使用更小的象素TFT的可能性。
还可以采用多个变型实施例，它们在显示器中使用第二栅极215的不同配置。
参照图9，对绝缘体102进行图案化，或者进行改变，以在TFT106上方或象素单元的其它区域上方提供不同的厚度。这通过在半导体50和场屏蔽体113之间选择一个合适的绝缘体厚度而调整第二栅极215(图7)。优选地，场屏蔽体绝缘体102可以尽可能地厚以相应地避免场屏蔽体113与层44、48中的行和列电极之间的电气交扰。另一方面，当绝缘体102较薄时，导电层104能增加TFT的导通电流，因为它的作用如同第二栅极。
参照图10，可以采用两个不同的绝缘层150和152以用于绝缘体102。可以使用层150以提供场屏蔽体113和半导体50之间电介质层的适当厚度。可以在层150上形成层152并对其进行图案化，这为其它区域的绝缘体提供了不同的厚度。层150和152可包括相同的材料或者不同的材料。对层150和152进行图案化以形成通孔或其它结构。为了避免在更高的导通电流和电气交扰之间进行折衷，可以在象素的其它部分内施加TFT106区域中较薄第二绝缘层150和较厚绝缘层152。这能够最大化地增加导通电流，同时最小化电气交扰。
可以用很多方式来制造栈。一种可能是省略剔除用于对半导体50进行图案化的保护层(resist)(层150)，其后是对TFT106区域内的第二绝缘层152进行图案化。保护层150大约1微米厚，绝缘层152可以更厚一些(比如5微米)。其它厚度也可以预期的。
参考图11，示出了用于带有有机TFT的象素的场屏蔽体栈，其中第二栅极215由下一行中象素垫110和/或TFT226之间的场屏蔽体112的重叠而构成。通过使用第二栅极215，提供了导通电流的增大(boost)。
第二栅极215连接到相邻象素单元内的下一个象素垫110’。图12中示范性地示出了等效电路图。
参考图12，它是图11的场屏蔽体象素结构实施例的有源矩阵象素示意图。相邻行的象素电极110’通过连接231而连接到TFT226的第二栅极215。
为了阐述图11和12所示的结构的优点，给出了以下例子。比如，在+15V和-15V之间驱动象素垫110。当刷新象素时，栅极电极(G)(比如行线224)被设置为从+25V到-25V。栅极电极(G)是下一行象素的储能电容器。因此，在刷新周期期间，设置下一行象素使其象素电压处于-65V和-35V之间。通过把该象素的第二栅极215连接到下一行象素的象素垫，该较大的负电压在刷新期间就被施加到TFT226上。这导致这段时间内3-5倍因子高的导通电流，如图8所示。刷新周期之后，栅极(G)被重置为+25V。然后，下一行中的象素垫110被重置为+15V和-15V之内的正常象素电压。这保证象素的漏电流在两个刷新周期之间的时间内仍保持足够低。
场屏蔽体可在相邻象素单元的薄膜场效应晶体管的至少一部分上延伸，以与相邻象素单元的薄膜场效应晶体管形成电容性关系，从而提高该晶体管的性能。类似的，场屏蔽体可在相邻象素单元的象素垫的至少一部分上延伸，以与相邻象素单元的象素垫形成电容性关系，从而提高那个象素垫的性能。
本文描述的诸实施例可以与其它实施例结合，比如，如所阐述的，当第二栅极连接到到下一行的象素垫时，可调整场屏蔽体和TFT(比如第二栅极)之间的间隙。其它的组合也是可以预期的。
本发明的优点包括，TFT面积可以更小，同时保持光学显示性能最优。这增加显示器的产量(yield)，并能够通过利用有机TFT的现有性能来制造更大的显示器。应用领域包括所有的有源矩阵显示器。这些显示器包括场屏蔽体式设计。本发明也可以应用到有机电子外的其它技术，比如可使用非晶硅或多晶硅。
上文已经阐述了使用场屏蔽体来改进象素性能的优选实施例(只是用于示范性描述而并非限制性的)，需要注意的是，本领域普通技术人员根据上文的启示可以对其做出各种改变或者改型。因此可以理解，在本发明的某些特殊实施例中所作的各种改变均落入权利要求所限定的实施例的精神和保护范围内。因此，描述了细节，尤其是专利法所要求的特征，所寻求保护的且由专利证书所保护的由权利要求书阐明。
Claims (19)
1.一种用于有源矩阵显示器的象素单元，包括：
象素垫(110)；
薄膜场效应晶体管(106)，选择性地耦合信号以激活/停用所述象素垫；
场屏蔽体(112)，形成于绝缘层(102)上，并通过所述绝缘层连接到所述晶体管，从而使所述场屏蔽体在所述象素单元(110)的电极的至少一部分上或所述晶体管(106)的至少一部分上延伸。
2.如权利要求1所述的象素单元，其特征在于，所述薄膜场效应晶体管(106)包括有机半导体材料。
3.如权利要求1所述的象素单元，其特征在于，所述薄膜场效应晶体管(106)包括有机层间介电层。
4.如权利要求1所述的象素单元，其特征在于，所述薄膜场效应晶体管(106)根据行电极(45)上的信号而选择性地把列电极(47)连接到所述象素垫(110)。
5.如权利要求1所述的象素单元，其特征在于，所述场屏蔽体(112)在所述薄膜场效应晶体管的一部分上延伸，以与所述薄膜场效应晶体管形成电容性关系，从而提高所述晶体管的性能。
6.如权利要求1所述的象素单元，其特征在于，所述场屏蔽体(112)在相邻象素单元的所述薄膜场效应晶体管(106)的一部分上延伸，以与所述相邻象素单元的薄膜场效应晶体管形成电容性关系，从而提高那个晶体管的性能。
7.如权利要求1所述的象素单元，其特征在于，所述场屏蔽体(112)在相邻象素单元的所述象素垫(110)的一部分上延伸，以与所述相邻象素单元的象素垫形成电容性关系，从而提高那个象素垫的性能。
8.一种用于有源矩阵显示器的象素单元，包括：
象素垫(110)；
薄膜场效应晶体管(106)，选择性地耦合信号，以激活/停用所述象素垫；
场屏蔽体(112)，形成于绝缘层(102)之上，并通过所述绝缘层而连接到所述晶体管，从而使得所述场屏蔽体在所述晶体管(106)的至少一部分上延伸，以形成能够提高所述晶体管性能的第二栅极(215)。
9.如权利要求8所述的象素单元，其特征在于，所述薄膜场效应晶体管(106)包括有机半导体材料。
10.如权利要求8所述的象素单元，其特征在于，所述薄膜场效应晶体管(106)包括有机层间介电层。
11.如权利要求8所述的象素单元，其特征在于，所述薄膜场效应晶体管(106)根据行电极(45)上的信号而选择性地把列电极(47)连接到所述象素垫。
12.如权利要求8所述的象素单元，其特征在于，所述绝缘层(102)在所述场屏蔽体与所述薄膜场效应晶体管之间以及在所述场屏蔽体与所述象素单元的其它区域之间具有不同的厚度。
13.如权利要求8所述的象素单元，其特征在于，所述绝缘层(102)在所述场屏蔽体与所述薄膜场效应晶体管之间的厚度小于在所述场屏蔽体与所述象素单元的其它区域之间的厚度。
14.如权利要求8所述的象素单元，其特征在于，由所述场屏蔽体(112)形成的所述第二栅极(215)增加了所述薄膜场效应晶体管的导通电流。
15.一种用于形成有源矩阵显示器的象素的方法，包括以下步骤：
在象素栈(40)上形成绝缘体(102)，所述象素栈包括薄膜晶体管(106)、象素垫(110)和寻址线(45，47)；以及
对在所述绝缘体上形成的导电层进行图案化，以形成连接到所述象素垫的场屏蔽体(112)，所述场屏蔽体通过所述绝缘层连接到所述象素垫，从而使所述场屏蔽体在所述薄膜晶体管的至少一部分上延伸，以形成能够提高所述晶体管性能的第二栅极(215)。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括如下的步骤：激活所述象素垫(110)和场屏蔽体(112)，以增加所述薄膜场效应晶体管的导通电流。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，形成绝缘体的所述步骤包括根据所述薄膜晶体管的性能标准来设定所述绝缘体(102)的厚度。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，对所述导电层进行图案化的所述步骤包括对所述导电层进行图案化，以使得第一象素单元的所述场屏蔽体(112)在相邻单元的薄膜晶体管上延伸。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，对所述导电层进行图案化的所述步骤包括对所述导电层进行图案化，从而使得第一象素单元的所述场屏蔽体(112)在相邻单元的象素垫上延伸。
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